JP2021528607A - 特定の材料の高使用量を達成するための、特に複合繊維材料製のトーションスプリングまたは駆動シャフトの形態にある、ねじりトルクを伝達するための構成 - Google Patents

Abstract

本発明は、従来技術と比較して、材料および設置空間の著しい節約を可能にするトーションキャリア、特に、トーションスプリング、つる巻きばね、駆動シャフト、またはバランスシャフトに関する。トーションキャリアは、半径方向において１つの層が他の層の上に位置する、複数の、しかし少なくとも２つの、支持層からなり、それらの層の各々は、主に一方向の複合繊維材料製である、少なくとも１つのスパイラルコイル（１、３）、しかし好ましくは複数のスパイラルコイルからなる。少なくとも２つの支持層は、互いに対して逆回転のスパイラルコイルの向きを有する。弾性中間スペーサー層（２）は、隣接するスパイラルコイル層の間に配置され、それにより、隣接するスパイラルコイル層同士のスパイラルコイルの拡張の非干渉化が達成される。これは、高レベルの材料利用率を可能にする、特に好都合で主な単軸応力状態を達成する。
【選択図】図１

Description

課題
ねじり荷重のかかるチューブ（torsion-loaded tube）および同様のトルク伝達部品（torque-carrying component）は多軸応力状態にさらされる。ねじり荷重のかかるチューブによる想像上の縦断面におけるせん断応力は、モール円によって、引張応力および圧縮応力の下で方向ごとに＋／−４５°の方向の２つの直交する主応力に変換される。この応力状態は、非晶質材料（金属）にとっては、その材料限界に関して問題ではない。しかしながら、複合繊維材料は、特に多軸応力状態に対して敏感である。主応力を担持するために、積層物層は、好ましくは応力の主方向に敷設される。したがって、複合繊維材料製の古典的なトーションチューブ（torsion tube）は、異なる巻方向の繊維から構成される。例えば、＋４５度の巻回方向を有する繊維には引張応力がかかり、−４５度の巻回方向を有する繊維には圧縮応力がかかる。双方の方向の繊維は、この場合、互いに対して直交して位置する。しかしながら、互いと平行に位置しない積層物層は好ましくない相互作用を経験することがある。

繊維方向の引張荷重または圧縮荷重は、正または負の長手方向の伸びをもたらす。連続した積層構造に直接取り付けられるときに、これは、それぞれの場合において他の繊維方向において横方向の伸びをもたらす。しかしながら、複合繊維材料は、繊維方向に対して横方向にわずかな伸び性を有するに過ぎない。これには主に２つの理由がある。繊維は互いから接近した距離に位置し、周囲の母材材料よりも実質的に高度な剛性を有しており、その結果として、わずかな伸び距離のみが得られ、したがって、複合材のわずかな横方向の伸びの場合にさえ、母材材料が過度に伸びたり（非晶質繊維、例えばガラス繊維との複合材料の場合に主に関係する）、または繊維自体が、その異方性の組成のために、繊維がわずかな横荷重の場合にさえ損傷を受けるというような敏感な性質を有したりする（これは、例えば炭素繊維の場合に関係する）。

したがって、わずかな横方向の伸びの場合にさえ、層間亀裂が形成され、その結果として、このように損傷を受けた複合材の長手方向の荷重支持能力は低減され、部品は機能しなくなる可能性がある。積層物の圧縮荷重のかかる領域（compression-loaded region）は、それらの安定性が低いために、特に影響を受ける。

繰り返される荷重の変化は、この場合、亀裂の加速した伝播をもたらし、したがって、一般に伸びのレベルを低下させるためには、とりわけ、寸法設計において高い疲労余裕が必要とされる。これは、多数の荷重サイクルが予期される部品は、伸びおよび応力を制限するために、著しく多くの材料を使用することで実現されなければならないことを意味する。蓄積できる弾性エネルギーは応力と伸びの積に比例するため、これは、特にばね部品（ここでは、トーションスプリング）の場合に非常に負の効果を有する。これに代わって、２つの大きさの線形的な相互関係のために、蓄積できるエネルギーは、応力の二乗、または伸びの二乗に比例する。

よって、一般的に好ましくない材料利用率は、そのような用途において複合繊維材料がこれまでにあまり普及していない実質的な理由である。

さらなる問題は、せん断荷重による複合繊維ねじり部品の不良である。不十分な変形能力は、この場合、平行な繊維ストランド間に亀裂の層間形成をもたらす。

米国特許第８，９８４，６９８号 米国特許出願公開第２０１８／０２５８９７９号

解決法
従来の積層構造を有するトーションキャリア（torsion carrier）は、多軸応力状態に関して上述した敏感さのために、比較的小さな応力レベル（ＧＦＲＰの場合、約３００ＭＰａまでの繊維平行応力）にしか耐えられないが、以下に記載する解決法では、著しく高い応力（ＧＦＲＰの場合、約６００ＭＰａまで）が達成されることが可能であった。応力レベルを２倍にすることにより、
− 材料の使用が約半分となった、ねじり伝達部品（torsion-transferring component）と、
− 応力にほぼ平行な伸びにより、材料の使用が約１／４となった、トーションスプリングと
を実現することが可能であるという結果が得られる。
重量およびコストに関する利点に加えて、提案した概念はまた、必要な構築空間に関して相当な節約を可能にすることもできる。

反対の繊維の回転（巻回）方向を有する個々のスパイラルコイルの別個の層を有する構造が提案される。スパイラルコイルとは、筒（柱）状周面上に、特定のピッチ角で、部品の長手方向軸線を中心としてらせん状に巻かれた、限られた幅のらせん状細片を意味するものと理解される。反対方向のコイルは、荷重下で相互に半径方向に支持され、ねじり荷重は、外側スパイラルコイル（１）では引張荷重に変換され、内側スパイラルコイル（３）では圧縮荷重に変換される。層平面（半径方向）のスパイラルコイルは、荷重の形態によって、互いに対するそれらの距離を変化させることができるように意図されており、その結果として、スパイラルコイルの長手方向に対して横方向の伸びが可能となる。加えて、設けられた補償間隙により、層の隣接する平行なスパイラルコイル間におけるせん断変形が支援される。

提案される構造は、スパイラルコイルが、主に長手方向における引張荷重または圧縮荷重によって、できる限り一軸応力状態にさらされることが意図されることを意味し、その結果として、前記スパイラルコイルは、一方向の積層物（スパイラルコイルの長手方向の繊維）から、または、わずかにねじれた複合繊維材料（スパイラルコイルの長手方向において平均繊維配向を有する）によって、主に構成され得る。有利な実施形態において、繊維は、スパイラルコイルの長手方向から１０度未満、さらに好ましくは５度未満外れている。

層のスパイラルコイルの長手方向の伸びが、その層に対して横方向に位置する隣接する層のスパイラルコイル上に直接押し付けられないようにし、代りに、横方向の伸びの補償が、スパイラルコイルの間にこの目的のために設けられた間隙で主に行われるようにするために、それらの層が以下で「中間層」と呼ばれる補償区域によって互いに非干渉化されると有利である。横方向の伸びの非干渉化の効果は、図９の例によって示されている。引張荷重によって伸ばされた外部スパイラルコイル１が、例として示されている。中間層２ａと内部スパイラルコイル３とは、内側で隣接している。異なる実施形態「ａ」における例としてここに示されている中間層２ａは、外部スパイラルコイル１への接続によって伸びを受ける。前記中間層の変形能力は、伸びが圧縮荷重のかかる内部スパイラルコイル３に対して押し付けられない（またはわずかな程度しか押し付けられない）ことを意味する。内部スパイラルコイル３内において干渉する横方向の伸びを生じる代わりに、伸びは、２つの隣接した内部スパイラルコイル３の間の間隙５の大きさの増大のみをもたらし、その結果として、例示された２つの隣接する内部スパイラルコイル３の間の距離が増大される（図１参照）。

対応する効果はまた、内部スパイラルコイル３における圧縮荷重に対して類似した方法で達成される。この場合、中間層２および補償間隙４によりまた、圧縮荷重による内部スパイラルコイルの短縮が、外部スパイラルコイル１の間の間隙（４）の大きさの縮小をもたらし、よって、外部スパイラルコイル１が望ましくない横方向の圧縮に対して保護されることが可能となる。

中間層２ａの体積要素は、例として、交差するスパイラルコイルの間における立方体形の支持要素と見なすことができ、この体積要素は、圧縮力（Ｆ＿圧縮）の結果としての隣接した内部スパイラルコイル３の同時の圧縮と、引張力（Ｆ＿張力）の結果としての外部スパイラルコイル１の伸長とにより変形を受けて、角錐台を形成する。図１０を参照されたい。この変形能力は、層の繊維の長手方向の伸びが隣接する層のスパイラルコイルの複合繊維材料に伝達されないことを保証する。これは横方向の伸びの非干渉化と称される場合がある。

従来技術に対する限界
本発明におけるものと幾何学的に同様の構成は、従来技術において特に可撓性駆動シャフトに関連して見出だされ得る。しかしながら、これらの発明は、異なる目的を追求しており、したがって実質的な装置機能において異なっている。例えば、米国特許第８，９８４，６９８号は複合繊維スパイラルコイルの代わりに金属のスパイラルコイルを記載している。あるいは、米国特許出願公開第２０１８／０２５８９７９号から知られ、同様に大きな幾何学的類似性を有する構成の場合には、弾性中間層が設けられていない。弾性中間層を、複合繊維スパイラルコイルの非干渉化および関連する一軸応力状態のための重要な要素または必要条件として（模擬的に）確立することができたため、材料利用率の程度における記載した改善が（実験的調査で）実証された。

部品を示す斜視図である。 非巻回状態の部品の層を示している。 非巻回状態の部品の層を示している。 非巻回状態の中間層を示している。 非巻回状態の中間層を示している。 非巻回状態の中間層の変形例を示している。 非巻回状態の中間層の変形例を示している。 非巻回状態の中間層を示している。 横方向の伸びの非干渉化の効果の例を示している。 中間層の体積要素の変形を示している。 表面に刻み目またはラメラを有する中間層を示している。

実施特徴
層平面のコイルは、単一形態または多重形態に設計することができる。多重形態とは、１層につき複数のスパイラルコイルが含まれていることを意味する。チューブ状部品の場合には、前記スパイラルコイルは、チューブの長手方向軸線を中心として同一のピッチで互いと平行に巻回され、ある層の各スパイラルコイルは、チューブの中央長手方向軸線から同一の半径方向距離にある。好適な実施形態では、１層につき、４本以上のスパイラルコイル、さらに好ましくは７本以上のスパイラルコイル、さらに好ましくは１１本以上のスパイラルコイルが用いられる。

スパイラルコイルの角度、すなわちスパイラルコイルの回旋のピッチは、用途の要件に従って選択されることが可能であり、よって、部品の剛性に影響を与えることができる。部品（チューブ）の長手方向に対して、約１０度〜８５度の範囲の角度、または反対方向の層における−８５度〜−１０度の範囲の角度が、技術的に適切である。好適な実施形態は、双方の巻回方向について、約４５度および−４５度の（回転の方向）角度を有する。力の平衡を生じさせるために、それぞれの場合において、前記＋／−４５度の構成から１桁の度数の逸脱がなされてもよく、よって、例えば、＋４０度および−５０度を有した構成を生じる。

本発明の異なる実施形態として、より多数の層、すなわち、３層以上を含むねじり要素も提案される。それらのねじり要素は、中間層によってそれぞれ非干渉化される引張層と圧縮層との複数の組み合わせを含むことができる。この手段によって、個々の層の間における半径方向圧力は低減され、したがって、より軟質の材料を用いることができ、また部品全体はトルクの回転の逆方向の荷重さえ受けることができる。トルクの方向が逆転される場合、前述の外部スパイラルコイルは、（前述の荷重の基本形態におけるような引張荷重の代わりに）圧縮荷重を受け、また、内部スパイラルコイルは、（前述の荷重の基本形態におけるような圧縮荷重の代わりに）引張荷重を受ける。この場合、（前述の荷重の基本形態におけるような圧縮荷重の代わりに）引張荷重が層の間に生じ、中間層を介して伝えられなければならない。２つの荷重支持層（引張層および圧縮層）を備えた記載した変形例に加えて、３つ、４つ、５つ、６つまたはより多数の層を有する変形例もまた有利である。

本発明の文脈内では、「内部スパイラルコイル」という用語は、部品がその好ましい方向に荷重をかけられる場合に、圧縮力を受けるスパイラルコイルに関係していることに言及しておかなければならない。対照的に、外部スパイラルコイルという用語は、部品がその好ましい方向に荷重をかけられる場合に、引張荷重を受けるスパイラルコイルに関係している。記載したトーションキャリアが、３層以上のスパイラルコイルから半径方向に構築される場合、「内側で」および「外側で」という用語は、半径方向において相互に支持される２つの層の組み合わせの互いに対する相対的な配置を指す。

隣接する層同士のスパイラルコイルを互いに非干渉化するため、およびある層内のスパイラルコイル同士を非干渉化するための記載した構築の結果は、スパイラルコイル内の応力は主に繊維方向に延び、干渉する横方向の伸びは抑制される（または、少なくとも低減される）ということである。よって、複合繊維材料の利用率を高くすることができ、したがって、より高い変形能力および応力が許容されることが可能となり、その結果として、従来のシステムよりも構築空間が少なく、かつ材料の使用が少ない部品を実現することができる。所与の構造で、特に高い特有の伸びエネルギーをトーションスプリングに蓄積することができる。

本発明は、中間層（２）について複数の異なる実施形態を提供する。

中間層は弾性材料によって実現することができ、その結果として、中間層は、反対方向の荷重支持スパイラルコイルの隣接する層同士の離間を保証し、中間層の変形能力が層同士の非干渉化を可能にし、その結果として、１つの層のスパイラルコイルの長手方向の伸びは、隣接する層のスパイラルコイルの横方向の伸びをわずかにもたらすに過ぎない。有利な実施形態において、中間層は、荷重支持スパイラルコイルに接続され、特に、一体的に接合されて接続される。特に圧縮荷重のかかるスパイラルコイルは、これにより固定を受け、それらの（安定性の不足に関する）自由座屈長は著しく低減されるため、これは基本的に重要となり得る。

一体的に接合した取り付けについては、複合繊維材料と弾性中間層との間の特に良好な接続を可能にする特別な接着促進剤を用いることができる。または、複合繊維材料に特に容易に接続される中間層材料、特に複合繊維材料の合成樹脂とともに硬化するか、またはそのような合成樹脂と架橋するエラストマーを用いることができる。

荷重支持層同士の間（または外部スパイラルコイル（１）と内部スパイラルコイル（３）との間）において補償するための高い変形能力を得ると同時に、層同士の間における半径方向圧力に対する高い荷重支持能力を保証するため、またはエネルギーの損失を制限する（散逸的な減衰効果）ために、単に適切な賦形によって必要な変形能力を得る比較的硬質の材料を用いることができる。本発明の文脈において、中間層（特別に賦形された、比較的硬質な材料を有する）のこの第２の変形例もまた、「弾性中間層」と称されるであろう。この目的のために、図４ａ〜図４ｄは、スパイラルコイルが交差する領域内にのみに存在する個別のひし形の形態で中間層が構築されている構成を示している。荷重支持層のうちの１つにおいてスパイラルコイル同士の間に間隙（４、５）が存在する領域では、中間層も中断されている。よって、この場合の弾性中間層は、ある層のスパイラルコイル同士の間における補償間隙の半径方向の連続として設計され、中間層を部分的にまたは完全に中断する間隙を有する。

製造に関して、表面の中断を生じさせるためには、前記賦形を２つの荷重支持層の接続前に行うこともできるし、または、スパイラルコイルの間の間隙を通じた材料の削摩（切断、またはレーザーアブレーション、またはウォータージェットでの切断による削摩）によって、材料を中間層から除去することもできる。これに代わって、図５ａ〜図５ｃは、中間層が２つの層（２ｂ１）および層（２ｂ２）から構築される構成を示している。前記層は、外部スパイラルコイル（１）および内部スパイラルコイル（３）に沿ってそれぞれ配置されており、このように広範囲にわたって接続されている。スパイラルコイルの間の間隙に沿って、中間層は、このように最高で層厚のほぼ半分まで形成される間隙を有する。前記層はスパイラルコイルとともにそれぞれ製造されるか、または外部スパイラルコイルおよび内部スパイラルコイルの間隙の領域における訴求的な部分削摩（retrospective partial abrasion）によって、平坦な中間層から間隙を生じさせることができる。前記部分的な削摩は、例えば、層厚の半分まで行われることが可能であり、または中間層から丸い溝（刻み目）が加工されることが可能である。

さらなる実施形態は、例えばポリウレタンまたはゴムなどの比較的軟質な材料の使用によって可能となる。この場合、中間層は、充填された容積（溝を有さない）として設計されている。必要とされる変形（主に、層を非干渉化するためのせん断変形）は、ここでは軟質な材料の変形能力によって起こる。さらなる実施形態の有利な変形例は、中間層の材料が、スパイラルコイルの補償間隙を通って絞り出されるのを防止される構成である。この手段により、中間層材料の変形は制限され、外部スパイラルコイルと内部スパイラルコイルとの間の圧力は、すべての側面において、軟質材料の場合でさえ比較的高度に許容可能である（静水）圧力に部分的に変換される。図６ａ〜図６ｃは、この中間層の幾何学的な変形例（２ｃ）を示している。連続層（２ｃ２）は、ここでは、外部スパイラルコイルの補償間隙の充填物（２ｃ１）、および内部スパイラルコイルの補償間隙の充填物（２ｃ３）に隣接する。補償間隙の充填物（２ｃ１および２ｃ３）は、ここでは、中間層（２ｃ２）の表面と同一の材料、または異なる材料から実現することができる。この場合、著しくより軟質の材料が有利である。図７ａ〜図７ｃは、説明のために、関連するスパイラルコイル（１）およびスパイラルコイル（３）と組み合わせた、この中間層の変形例（要素２ｃ１、２ｃ２、２ｃ３を有する）を示している。

さらなる実施形態は、改善された伸び挙動のための中間層の構造化である。

図１１に示すように、中間層の表面は、スパイラルコイルとのその接触時に、スパイラルコイルの繊維方向または長手方向の広がりに対して横方向に位置する刻み目またはラメラを有することができる。各スパイラルコイルの伸びは、よって、刻み目またはラメラの角変化または傾斜に変換され、その結果として非干渉化特性が改善される。示した構成の上で、および示した構成を越えて、これは、それぞれの場合において、中間層の両側で起こり得る（２つの側面の刻み目またはラメラは互いに対して角度をなしており、非干渉化されるべき２つの層のスパイラルコイル同士も互いに対してこの角度をなしている）。

本発明によれば、概して、スパイラルコイルの間の補償間隙についても、様々な異なる実施形態が提供される。間隙は、弾性材料（例えばポリウレタン、シリコーン、ゴム、発泡体またはエポキシ樹脂など）のいずれかで充填されることが可能であり、よって、上述した静水圧の効果を促進する。または、間隙は、充填物を有さずに残されることが可能であり（その結果として、間隙は、例えば空気などの周囲媒体を含む）、したがって、それらの変形能力は無制限である。また、部分的な充填（２ｄ）などの中間変形例も可能であり、図８ａ〜図８ｃを参照されたい。本発明によれば、ターゲットホール（targeted hole）またはエアポケット（例えば圧縮可能な発泡体による）によって、材料の撓みが促進されて、この領域における変形特性がよい影響を受ける変形例が同様に提供される。

スパイラルコイルのプロファイル、またはスパイラルコイルの断面の幾何学的形状については、様々な実施形態の選択肢がある。矩形のスパイラルコイルに加えて、丸いスパイラルコイル（筒（柱））、半筒（柱）形、楕円形（図８ａ〜図８ｃ参照）、あるいは、個々の丸みを帯びた辺を有した実質的に矩形の形状を用いることができる。特に、中間層と接した丸みを帯びた側面を有する矩形プロファイルは、それにより中間層で起こるせん断変形が低減されるので、本発明の文脈において有利であると考えられる。

スパイラルコイル自体の有利な異なる実施形態として、スパイラルコイルの表面、特に圧縮荷重のかかるスパイラルコイルの表面は、弾性中間層に関して張力を緩和するものであり、かつスパイラルコイルの長手方向に対して横方向の配向を有する繊維を少なくとも部分的に含むことができる。前記繊維は、中間層を通じて引き起こされた横応力の実質的な部分を担持することができる。結果として、スパイラルコイルの荷重支持材料における（スパイラルコイルの長手方向の繊維における）横応力または横方向の伸びは、荷重下でより低下することになり、したがって、スパイラルコイルはスパイラルコイルの長手方向において、特に繰り返し荷重においても、より大きな荷重に耐えることができる。

荷重および変形に適した方法でのスパイラルコイルの最終的な取り付けのために、前記スパイラルコイルの端部は増大した層厚を有することができ、部品の端部は増大したチューブ径を有することができ、かつ／または部品の端部でスパイラルコイルの向きが変更されることが可能である。この手段によって、前記領域内における部品の荷重の場合、スパイラルコイルで生じる長手方向の応力がより小さくなり、したがって、スパイラルコイルの曲げに由来する付加的な応力は吸収され得る。

同様に、スパイラルコイルの端部に追加のエンドピースを取り付ける（例えば接着接続による）ことができ、エンドピースは、スパイラルコイルの調和した曲げおよび隣接した部品へのスパイラルコイルの長手方向における力の伝達、または部品のエンドピースに対するスパイラルコイルの関節式の取り付けを可能にする。

さらに有利な異なる実施形態において、スパイラルコイルの端部の曲げ区域は、スパイラルコイルを細くすることで実現することができ、その結果として、荷重下においてスパイラルコイルのピッチが変化する場合に変形能力が改善され、生じる付加的な曲げ応力は、全幅のスパイラルコイルの場合よりも小さくなる。この場合、周方向の平面におけるスパイラルコイルの曲げに関連する断面二次モーメントは低減される。

それぞれの場合において反対方向のスパイラルコイルの２つの層を有する示した構造に加えて、異なるスパイラルコイルの向きの３つ以上の層を有する構築物も提供される。例えば、全体的な部品の曲げ剛性を改善するために、約＋／−４５度のスパイラルコイルの２つの記載したねじり担持層に加えて、チューブの長手方向の繊維を有し、任意選択で、チューブの長手方向のスパイラルコイルおよび間隙も有する第３の層が含まれ得る。これらは、同様に半径方向における横方向の伸びの効果を低減するために、弾性中間層によって隣接する層から非干渉化され得る。

有利な異なる実施形態において、スパイラルコイルから構築されたチューブの内部は、特にチューブの長手方向の繊維、またはチューブの長手方向に対して概ね４５度の巻回方向の繊維を有した、チューブまたは平坦な材料または中実材料のコアを含むことができる。コアは、ここでは、横方向の力、曲げトルクまたは半径方向の荷重に対する荷重支持能力および／または剛性の増大をもたらす。同時に、コアは、その小さな外径（全体的な部品に対して）により、ねじり方向において十分な変形能力を有する。曲げトルクに対する部品の荷重支持能力を局所的に特定の程度増大させるために、記載したコアは、局所的に円錐状に（とりわけ部品の端部において）さらに拡張されることが可能である。有利な実施形態では、コアは、弾性中間層によって、スパイラルコイルの半径方向の外層から非干渉化される。

外形に関して、記載したトーションキャリア（「部品」とも称される）は、チューブの形態で、または直線状または曲がった丸棒として設計され得る。有利な実施形態において、部品の内径および／または外径は、チューブまたは棒の端部の領域において漏斗状に拡大されることが可能である。前記拡大部は、平坦なフランジまたは円錐状のフランジ、または隣接する部品への接続のための連結ピースに通じることができる。直径が拡大される場合、部品の端部におけるスパイラルコイルは、前記平坦なフランジまたは円錐状のフランジ内に半径方向に現れ得る。有利な実施形態において、力は、ここで、一体接合接続、摩擦接続、またはフォームフィッティング接続（form-fitting connection）により、スパイラルコイルに導入され得る。

さらに有利な異なる実施形態において、チューブまたは棒の形態にあるトーションキャリアは、曲がった形状を有し得る。トーションキャリアは、例えば、ねじ、またはつる巻きばねの外形を有し得る。チューブまたは棒は、この場合、１つまたは複数の軸線を中心として湾曲され得る。同様に、湾曲に加えて、チューブは、チューブの長手方向軸線を中心として、ねじられることができる。

らせん状部品は、その端部において、縮小したねじ径および／または変化したねじ山高さを有することができる。

引張または圧縮で荷重をかけられ得る、つる巻きばねの形態において、曲がったチューブまたは曲がった棒は、ねじりセクション荷重（torsion section load）を主に受ける。この場合、互いに非干渉化される反対方向のスパイラルコイルを有する本発明による記載した構造は、特に荷重を支持できることが示された。複合繊維スパイラルコイルにおける主な一軸応力状態は、著しく高い許容応力および伸び値で、複合繊維材料のより高い利用率を可能にする。トーションキャリア（つる巻きばねの形態にある）は、よって、より大きな荷重および振幅に耐えられる。または、反対に、所定レベルの荷重および運動振幅について、前記トーションキャリアは、著しく少ない材料の使用によって実現されることが可能である。これは特に繰り返し荷重の形態に当てはまる。

記載したトーションキャリア構造に基づいて、異なる用途に特有の構造形態を有する異なる装置を実現することができる。これらの装置としては、特に、角度公差およびオフセット公差を有する、トーションチューブスプリング、トーションバー、つる巻きばね、駆動シャフト、曲げ弾性トーションシャフト（flexurally elastic torsion shaft）または補償シャフト（または弾性継手）が挙げられる。

請求項３に関して、請求項３は多重形態の構成を記載していることに注目されたい。複数のスパイラルコイルは、それぞれの場合において、周上に分散されており、好ましくは、トーションキャリアの軸線方向に互いと平行に延びている。好ましくは、少なくとも３の多重形態が提供され、さらに好ましくは、少なくとも６の多重形態が提供され、したがって、層は少なくとも３本のスパイラルコイル、さらに好ましくは、少なくとも６本のスパイラルコイルを含んでいる。ほとんどの技術応用のためには、いずれの場合も、１１本以上のスパイラルコイルが周上に分散されている構成が有利であることが判明した。

スパイラルコイルの高さ（半径方向で見たとき）とスパイラルコイルの幅との間の比は、好ましくは１：１〜１：３の間である。

請求項５に示す制振材料の例としては、ゴムまたはポリウレタン、ならびに同様の弾性特性および制振特性を有する他の材料が特に参照される。

請求項１０に記載の層のうち、特に、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つまたは８つの層が設けられる。

請求項１１に記載の層の少なくとも１つは、好ましくは、部品の長手方向にスパイラルコイルおよび間隙を含んでおり、これにより曲げ剛性または曲げ荷重支持能力の増大がもたらされる。

請求項１２で議論されるコアは、特に中実の柱状要素（中実棒）および／または中空の筒状チューブから形成され、双方とも特に複合繊維材料から構築することができる。これに代わって、またはこれに加えて、コアは、好ましくは、チューブの長手方向の配向を備えた繊維および／または４５度の配向を（任意選択で＋／−１５度の公差で）備えた繊維を有する。

請求項１３の筒（柱）状とは、トーションキャリアが、チューブの形態、または直線状の丸棒の形態に設計されていることを特に意味する。

部品端部の方向における、請求項１３に記載の直径の変化に関して、有利な実施形態では、漏斗の形態で外側に拡大する内径が形成され得る。例えば、部品端部は、よって、平坦なフランジまたは円錐状に形成されたフランジ、または隣接する部品への接続のための連結輪郭（coupling contour）に通じることができる。隣接する部品とは、特に、トーションキャリアとの回転のためにトーションキャリアに連結されることが意図される部品を意味する。内径は、ここでは、好ましくは、内部スパイラルコイルの内部輪郭によって、かつ／または内側側面に隣接する内層によって、予め決定される。

定義および説明
スパイラルコイル： らせん、ねじ、らせん曲線、筒状スパイラルとも呼ばれるスパイラルコイルは、筒（柱）の筐体のまわりに一定ピッチで巻回する曲線である。スパイラルコイルは、半径上で湾曲している表面（＝層、平面）から生じ、らせん状の溝（スロット）を有する。

層： 定義された機能を有した部品（筒状の周面上の）のチューブ状層。これは、中間層、または荷重支持スパイラルコイル（引張応力および圧縮応力を伝達するための外部スパイラルコイルまたは内部スパイラルコイル）と称されるものを有した層であり得る。

形態： 間隙を有したスパイラルコイルとしての層の設計。

中間層： ２つの隣接する荷重支持層の間における伸びを非干渉化するための層（張力伝達外部スパイラルコイルと圧縮伝達内部スパイラルコイルとの間の非干渉化層）。

中空の筒： 中空の円筒。

補償間隙： 層のスパイラルコイル間の間隙、スパイラルコイル間の特に伸びを可能にする間隙。この文脈では、「溝付き」構成の用語も用いることができ、スパイラルコイルおよび補償間隙は近接層から生じる。補償間隙は、充填されてもよいし、または充填されなくてもよい。

横方向の伸び： 繊維方向に対して横方向の伸び、母材の伸び距離の短縮により、特に繰り返し荷重（疲労）下において、複合繊維材料の荷重支持能力に対して著しい効果を有する伸び。

方向： スパイラルコイルの広がりの主方向は、特にスパイラルコイル長手方向、すなわち、好ましくは（任意選択で単に仮想の）筒（柱）周面のまわりのらせん曲線上に延びるスパイラルコイルの最大の長手方向の広がりの方向を意味すると理解されるべきである。スパイラルコイルの幅は、筐体平面に位置し、かつ広がりの主方向に直交する方向を意味すると理解される。スパイラルコイルの三次元における広がりは、スパイラルコイルの高さまたは厚さと称される。チューブまたは棒の場合には、これは半径方向の広がりに相当する。

図に対する補足参照
図２〜図８は、より明瞭にするために、非巻回状態の部品の層を示している。

本説明、図面、および請求項に開示される本発明の特徴は、本発明をその様々な実施形態において実現するために、個別でも、任意の所望の組み合わせにおいても、不可欠であり得る。本発明は記載した実施形態に限定されるものではない。本発明は、請求項の範囲内において、関連する当業者の知識を考慮して、変更することができる。

１ 外部スパイラルコイル
２ 中間層
３ 内部スパイラルコイル
４ 外部スパイラルコイル間における補償間隙
５ 内部スパイラルコイル間における補償間隙
２ａ 隣接する層のスパイラルコイルの交差部の領域における中間層
２ｂ１ 外部スパイラルコイルと接する中間層の部分
２ｂ２ 内部スパイラルコイルと接する中間層の部分
２ｃ１ 外部スパイラルコイルの補償間隙の充填物
２ｃ２ 平坦な中間層
２ｃ３ 内部スパイラルコイルの補償間隙の充填物
２ｄ 楕円形のスパイラルコイル間の中間層であって、スパイラルコイル間の間隙内に突出しないか、または部分的に突出するか、または完全に突出する中間層
１１ 変形能力を改善するための構造化された中間層

Claims (15)

1. 少なくとも２つの層を有するトーションキャリアであって、
   前記少なくとも２つの層のそれぞれが複合繊維材料からなる少なくとも１本のスパイラルコイル（１、３）で構成されており、前記少なくとも２つの層は、互いに反対のスパイラルコイルの巻方向を有し、かつ、前記層の間には少なくとも１つの離間弾性中間層（２）が配置されている、トーションキャリア。
2. 前記スパイラルコイル（１、３）の主繊維方向は、前記スパイラルコイルの広がりの主方向に少なくとも概ね配向されていることを特徴とする、請求項１に記載のトーションキャリア。
3. 少なくとも１つの層が、複数のスパイラルコイル（１、３）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のトーションキャリア。
4. 前記各層（１、３）の隣接するスパイラルコイルの間には、間隙（４、５）が少なくとも部分的に設けられ、かつ／または層の隣接するスパイラルコイルの間には、弾性充填材料の充填物（２ｃ１、２ｃ３）が少なくとも部分的に配置され、かつ／または層の隣接するスパイラルコイルの間の領域には、弾性中間層が少なくとも部分的に延びていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載のトーションキャリア。
5. １つまたは複数の中間層（２）および／または層のスパイラルコイル間の充填物（２ｃ１、２ｃ３）は、キャビティ、および／または切り込み、および／または穴を含み、かつ／または、発泡材料および／または制振材料から少なくとも部分的に形成されている、請求項４に記載のトーションキャリア。
6. 中間層の方に向いた表面の上の前記スパイラルコイル（１、３）の少なくとも一部は、前記スパイラルコイルの広がりの前記主方向に対して横方向の配向を有する張力緩和繊維を有することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載のトーションキャリア。
7. 前記トーションキャリアの端部は、漏斗状に増大する内径および／または外径を有し、かつ／または前記スパイラルコイル（１、３）は、前記トーションキャリアの前記端部の領域において変化したピッチを有することを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載のトーションキャリア。
8. 前記スパイラルコイル（１、３）は、前記スパイラルコイルの端部の領域において増大した層厚をそれぞれ有し、かつ／または前記スパイラルコイル（１、３）の前記端部には、エンドピースが取り付けられていることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載のトーションキャリア。
9. 前記スパイラルコイル（１、３）は、前記スパイラルコイルの端部の前記領域において縮小した幅をそれぞれ有し、よって、前記スパイラルコイルは、周方向の平面において曲がる場合に増大した変形能力を有することを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載のトーションキャリア。
10. 弾性中間層（２）によって互いに非干渉化される３層以上のスパイラルコイル（１、３）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載のトーションキャリア。
11. 少なくとも３つの異なるスパイラルコイルの向きを有する層が設けられ、前記層は中間層（２）によって離間されていることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載のトーションキャリア。
12. スパイラルコイルの前記層の内側において半径方向に、曲げ剛性または横方向の力に対する荷重支持能力が増大するコアが、スパイラルコイルの前記層の前記内側に半径方向に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１の何れか一項に記載のトーションキャリア。
13. 前記トーションキャリアの前記端部の方向において、変化する内径および／または外径が形成されていることを特徴とする、請求項１〜１２の何れか一項に記載のトーションキャリア。
14. スパイラルコイル（１、３）の層からなるチューブ、またはスパイラルコイル（１、３）の層からなる丸棒は、ねじの外形を有することを特徴とする、請求項１〜１３の何れか一項に記載のトーションキャリア。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載のトーションキャリアからなる、トーションチューブスプリング、トーションバー、曲げ弾性トーションシャフト、駆動シャフトまたはつる巻きばね。
    

Images